oraz 
Wyjaśnienie układów współrzędnych GNSS
Spis treści
Kiedy należy zwracać uwagę na układy współrzędnych, a kiedy nie?
Robisz NIE trzeba pomyśleć o układach współrzędnych, jeśli zadanie dotyczy tylko współrzędne względne lubić:
- Robot nawiguje, korzystając z współrzędnych względnych, np. przesuwa się o 5 metrów na wschód
- Ciągnik musi przejeżdżać przez pole i mieć centymetrową dokładność przejazdu
- Dron musi jedynie „wrócić do punktu startu”.
- Porównywanie punktów zarejestrowanych przez ten sam odbiornik, bez łączenia z mapami (sprawdzanie, czy ciągnik powrócił w to samo miejsce na polu).
You POTRZEBUJESZ dbać o układy współrzędnych, jeśli zadanie obejmuje porównywanie pomiarów GNSS z mapami stron trzecich, GIS lub oficjalną dokumentacją:
- Geodezja, kataster, geodezja - tak jak mierzenie granic gruntów i chęć porównania ich z mapą katastralną.
- Łączenie danych GNSS zebranych z mapami przygotowanymi przez firmy zewnętrzne lub z pomiarami wykonanymi przez uczelnię przy pomocy innego sprzętu.
- Udostępnianie danych o położeniu stronom trzecim (takim jak organy katastralne lub wykonawcy), na przykład gdy przekazujesz wykonawcy współrzędne planowanego miejsca wykopów, a wykonawca, korzystając z własnego sprzętu RTK, zlokalizuje dokładny punkt na polu na podstawie Twojej mapy
Jeśli dotyczy to również Ciebie, czytaj dalej — Teraz układy współrzędnych mają dla Ciebie znaczenie.
Wyjaśnienie układów współrzędnych
Jeden z najczęstszych powodów wadliwe dane w terenie to niedopasowane układy współrzędnych — między rover, baza lub NTRIP usługa.
Aby uniknąć kosztownych błędów, ważne jest zrozumienie, jak działają układy współrzędnych i w jaki sposób poszczególne elementy konfiguracji GNSS wpływają na ostateczną pozycję.
Odniesienia
Kiedy coś mierzysz, zawsze potrzebujesz punktu wyjścia, czyli „zera”. Jeśli dwie osoby nie używają tego samego punktu wyjścia, ich pomiary nie mogą być porównywane. To samo dotyczy pozycji na Ziemi.
Ponieważ Ziemia nie jest idealną kulą, geodezja wykorzystuje elipsoidę jako prosty model Ziemi. podstawa odniesienia definiuje tę elipsoidę, jej położenie względem środka Ziemi oraz sposób pomiaru szerokości, długości i wysokości geograficznej.
- Globalne dane obejmują całą planetę i są wykorzystywane przez GPS/GNSS. Są one aktualizowane z czasem, w miarę jak pomiary stają się coraz lepsze. Jednak globalne układy odniesienia są powiązane z centrum Ziemi, więc współrzędne powoli się zmieniają wraz z ruchem płyt tektonicznych (około 10 cm rocznie). Punkt, który zmierzysz dzisiaj, nie będzie miał dokładnie tych samych współrzędnych za 10 lat.
Przykłady: WGS84, ITRF. - Lokalne układy odniesienia ustalają współrzędne jednej płyty tektonicznej, regionu lub kraju. Wszystko na tym talerzu porusza się razem, więc współrzędne pozostają stabilne w czasie.
Przykłady: GDA94 (Australia), NAD83 (Ameryka Północna), ETRS89 (Europa).
Datum mogą być również:
- Statyczny: współrzędne nie zmieniają się z czasem. Jeżeli aktywność tektoniczna jest niewielka lub nie występuje wcale, to ruchy Ziemi z roku na rok są nieistotne.
Przykłady: ETRS89 używany w Europie.
- Dynamiczny: współrzędne są stale aktualizowane w miarę ruchu ZiemiGlobalne dane odniesienia są zazwyczaj dynamiczne i aktualizowane kilka razy do roku, ponieważ kontynenty przesuwają się względem siebie.
Przykłady: WGS84, ITRF, IGS.
- Półdynamiczny: aktualizacja współrzędnych po zdarzeniach deformacyjnych, jak trzęsienia ziemi, lub co kilka lat. Lokalne regionalne/krajowe układy odniesienia w krajach o aktywności tektonicznej są zazwyczaj półdynamiczne.
Przykłady: NAD83(2011) stosowany w USA, GDA2020 stosowany w Australii.
Epoki
W przypadku punktów odniesienia dynamicznych i półdynamicznych należy również trzeba znać datę i godzinę pomiaru położenia, ponieważ położenie zależy od czasu jak również X, Y, Z.
Na przykład właściwa nazwa najnowszego poziomego układu odniesienia używanego w Stanach Zjednoczonych to NAD83 (2011) Epoka 2010.00 lub N83 n.e. (2011) Epoka 2025.00
Łącząc dane („gdzie”) i epokę („kiedy”), uzyskuje się to, co geodezja nazywa układ odniesieniaJeśli porównujesz swoje pomiary z istniejącą mapą lub zbiorem danych, zawsze upewnij się, że korzystają z tego samego układu odniesienia (układu odniesienia i epoki) — w przeciwnym razie pozycje mogą się nie zgadzać.
Projekcja
Projekcja to matematyczna metoda rysowania zakrzywionej Ziemi na płaskiej mapie (2D). Jest to konieczne, ponieważ szerokość i długość geograficzna nie są wygodne w przypadku odległości, kątów ani… CAD praca.
Podczas gdy układ współrzędnych geograficznych gromadzi informacje o elipsoidzie, geoidzie i danych odniesienia, wskazujące lokalizację obiektu w przestrzeni 3D, rzutowany układ współrzędnych zawiera informacje o układzie współrzędnych oraz dodatkowe szczegóły, takie jak model matematyczny projekcji.
Przykłady projekcji mapowych:
- UTM (Uniwersalny Merkator Poprzeczny) to najpopularniejsza projekcja w systemach GNSS, mapach i geodezjach. Na przykład strefa UTM 32N jest używana w Europie Środkowej.
- Web Mercator jest projekcją używaną przez Google Maps, OpenStreetMap i inne internetowe usługi mapowe.
Transformacje punktów odniesienia
Ta sama lokalizacja na Ziemi może mieć różne współrzędne w zależności od użytego układu odniesienia:
- Samodzielne odbiorniki GNSS (bez poprawek RTK) podają pozycję w globalnym układzie odniesienia WGS84/ITRF.
- Odbiorniki RTK zapewniają pozycję w układzie odniesienia, w którym znajduje się stacja bazowa / NTRIP dokonano kalibracji usługi korekcyjnej.
Jeśli układ odniesienia używany przez odbiornik GNSS i układ odniesienia, którego położenie chcesz określić, różnią się, konieczna jest transformacja układu odniesienia. Można to porównać do przeliczania walut: 100 euro to nie to samo co 100 dolarów, ale przy odpowiednim kursie wymiany można je porównać. Transformacja układu odniesienia to po prostu działanie matematyczne, które przesuwa, obraca lub skaluje współrzędne w różnych układach odniesienia, tak aby odzwierciedlały ten sam punkt fizyczny.
Cztery poniższe przykłady przedstawiają najczęstsze scenariusze z życia wzięte, w których transformacje danych są wykorzystywane. Każdy przykład pokazuje, co się dzieje, jaki pojawia się problem i jak go rozwiązać.
Typowe przypadki użycia:
Praca z mapami i danymi GNSS wykorzystującymi różne układy odniesienia
Wyobraź sobie, że przygotowujesz się do pracy w terenie i ładujesz mapę lub warstwę tła (na przykład z Google Earth, OpenStreetMap lub ortofotomapy z drona) do aplikacji takiej jak SW Maps. Źródła te prawie zawsze korzystają z globalnego układu odniesienia WGS84, ponieważ jest to standard dla większości globalnych map internetowych.
Tymczasem Twój odbiornik RTK jest podłączony do lokalnego NTRIP usługa korekcyjna taka jak SAPOS, który zapewnia poprawki RTK w ETRS89 — oficjalnym geodezyjnym systemie odniesienia dla Niemiec i większości krajów Europy.
Chociaż układy WGS84 i ETRS89 są bardzo podobne, ich punkty odniesienia różnią się w Europie o około 1–2 metry. Dlatego po nałożeniu na mapę WGS84 pomiarów RTK opartych na ETRS89, punkty mogą wydawać się lekko przesunięte — na przykład granice nieruchomości lub krawędzie pól nie będą idealnie do siebie pasować.
Aby to naprawić, należy zastosować transformację układu odniesienia z ETRS89 na WGS84 (lub odwrotnie, w zależności od konfiguracji projektu) w aplikacji lub oprogramowaniu GIS. Po zastosowaniu transformacji zmierzone punkty RTK i mapa tła będą się poprawnie pokrywać.
Dlaczego Mapy Google mogą pokazywać niewielkie przesunięcia:
Warto wspomnieć o szczególnym przypadku Google Maps. Są one zgodne z ITRF (bardzo zbliżone do WGS84), ale same obrazy nie są idealnie powiązane z tym układem odniesienia.
Każde zdjęcie satelitarne Google Maps jest przetwarzane i ortofotomapowane osobno, co powoduje niewielkie przesunięcia resztkowe w obrazach. Z tego powodu warstwa wizualna może być przesunięta o około 10–20 cm, a czasami nawet więcej, w zależności od obszaru.
Tak więc nawet jeśli poprawnie wykonasz transformację pomiędzy ETRS89 i WGS84, nadal możesz zauważyć niewielką niezgodność między punktami precyzyjnymi RTK a tłem Google Maps.
Korzystanie z lokalnych usług korekcyjnych RTK
W przypadku korzystania z odbiornika RTK podłączonego do krajowej sieci korekcyjnej, np. SAPOS, poprawki są przesyłane w lokalnym układzie odniesienia – w przypadku Niemiec jest to ETRS89. Jest to oficjalny poziomy układ odniesienia używany w całej Europie do mapowania, pomiarów geodezyjnych i zastosowań GNSS.
ETRS89 to jednak nie tylko punkt odniesienia — obejmuje również epokę, która definiuje moment w czasie, do którego odnoszą się współrzędne. Ponieważ Europa przesuwa się nieznacznie względem środka Ziemi (około 2.5 cm rocznie), współrzędne w ETRS89 są przypisane do konkretnego punktu odniesienia czasowego: ETRS89 w epoce 1989.0 (czasie, w którym położenie płyt kontynentalnych Europy zostało „zamrożone” względem globalnego układu WGS84/ITRF).
SAPOS nadaje poprawki w realizacji ETRS89 w epoce 1989.0, zatem: Twoje pozycje RTK są stabilne i zgodne z mapami krajowymi, nawet jeśli od tego czasu płyta tektoniczna się przesunęła.
Porównując swoje dane, nie musisz stosować żadnej transformacji epoki. SAPOS-współrzędne oparte na oficjalnych niemieckich danych katastralnych lub topograficznych — wszystkie są zdefiniowane w tym samym układzie odniesienia.
To jedna z głównych zalet korzystania z lokalnego NTRIP Usługa: „tłumaczy” w czasie rzeczywistym globalne dane satelitarne na lokalny układ współrzędnych Twojego kraju.
Korzystanie z usługi korekty globalnej (Galileo HAS, PointPerfect, Skylark)
Wyobraź sobie, że projektujesz drogę w programie AutoCAD, korzystając z oficjalnego układu współrzędnych swojego kraju — na przykład ETRS89 / strefy UTM 33N w Austrii.
Później Twój zespół terenowy wyruszy na wytyczenie projektu, korzystając z odbiornika GNSS podłączonego do Galileo HAS Usługa ta dostarcza poprawki bezpośrednio z satelitów. W przypadku budowy dróg wystarczająca jest dokładność 20–40 cm, dlatego korzystanie z HAS ma sens.
Jednakże, Galileo HAS Transmituje poprawki w globalnym układzie odniesienia WGS84 (World Geodetic System 1984). Chociaż WGS84 i ETRS89 są dość podobne, ich punkty odniesienia różnią się o około 1–2 metry w Europie, a nawet o kilka metrów w innych miejscach.
Dlatego, aby mieć pewność, że dane pomiarowe, rysunki projektowe i mapy są idealnie dopasowane w tym samym układzie odniesienia, należy przekształcić dane projektowe z lokalnego układu odniesienia ETRS89 na globalny układ odniesienia WGS84 przed wysłaniem ich do odbiornika GNSS.
Korzystanie z usługi korekcyjnej wysyłającej komunikaty RTCM 1021–1027
W niektórych krajach krajowe służby penitencjarne (np. APOS w Austrii, SatRef w Hongkongu) transmitują nie tylko standardowe dane korekcyjne RTK, ale także specjalne komunikaty transformacyjne RTCM 1021–1027.
Te dodatkowe wiadomości zawierają parametry lokalnej transformacji współrzędnych — przesunięcia matematyczne, które przekształcają globalny układ odniesienia w dokładny regionalny układ współrzędnych.
Ta „lokalna transformacja” dostosowuje pozycje GNSS obliczone w układzie globalnym (jak ITRF w przypadku APOS) aby dopasować się do oficjalnego krajowego układu współrzędnych używanego do mapowania i pomiarów geodezyjnych. Stosuje niewielkie przesunięcia, obroty i korekty skali, aby Twoje współrzędne idealnie pokrywały się z lokalnymi punktami kontrolnymi.
Należy pamiętać, że nie jest to to samo, co użycie regionalnego układu odniesienia, takiego jak ETRS89. ETRS89 definiuje stabilny układ odniesienia dla całej Europy, ale każdy kraj może mieć własną wersję lokalną (na przykład ETRS89(AT) w Austrii lub ETRS89(PL) w Polsce). Komunikaty RTCM 1021–1027 zapewniają dodatkowy krok niezbędny do precyzyjnego dostrojenia współrzędnych z tego układu regionalnego do dokładnej siatki lokalnej danego kraju.
Jeśli odbiornik RTK i oprogramowanie terenowe obsługują te komunikaty, mogą one automatycznie przesyłać współrzędne do właściwej lokalnej siatki — bez konieczności ręcznego wprowadzania parametrów układu odniesienia lub projekcji.
Wysokości: elipsoidalne, na poziomie morza i ortometryczne
Innym częstym wyzwaniem w pozycjonowaniu GNSS jest zrozumienie, że nie wszystkie „wysokości” są takie same. Odbiorniki GNSS naturalnie generują wysokości elipsoidalne, które odnoszą się do elipsoidy WGS84, a nie do poziomu morza. Jednak wiele zastosowań geodezyjnych opiera się na wysokości ortometryczne, które opierają się na średnim poziomie morza. Ta rozbieżność stwarza kluczowe wyzwanie: aby porównywać lub konsekwentnie wykorzystywać dane wysokościowe, należy konwertować między układami odniesienia za pomocą model geoidy.
Aby uzyskać bardziej szczegółowe wyjaśnienie wysokości elipsoidalnych, ortometrycznych i geoidy, sprawdź Różnica pomiędzy wysokością elipsoidalną, ortometryczną i geoidą.
Jeśli szukasz odpowiedniego modelu geoidy dla swojego kraju, zebraliśmy dla Ciebie dane geoidy dla różnych krajów: Model geoidy dla Twojego kraju do pomiaru wysokości ortometrycznej.
Asystent RTK
Znajdź najlepsze produkty dla swoich potrzeb, odpowiadając na zaledwie kilka pytań.